Doctoral Thesis

Optimization of Polymeric Hollow Fiber Heat Exchangers using Lattice Boltzmann Method

Author of thesis: Ing. Kryštof Mráz, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jan Boháček, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Petra Dančová, Ph.D., doc. Ing. Tomáš Mauder, Ph.D.

Abstract:

Polymeric hollow fibers heat exchangers offer an interesting alternative to conventional metal heat exchangers. However, due to the specific shape and size of the heat exchange surface, their design process remains largely experimental. There is a clear need to optimize the design parameters of such heat exchangers using Computational Fluid Dynamics (CFD). This work assesses the suitability of two CFD methods for the optimization process: the Finite Volume Method and the Lattice Boltzmann Method. The later is less commonly used and therefore part of this study is dedicated to description and discussion of its benefits and drawbacks. Subsequently, the parametric study using numerical simulations is carried out. The Pareto front concept is introduced and applied to identify parameter combinations that maximize heat transfer while minimizing pressure drop in the exchanger. An OpenFOAM numerical model is developed to simulate flow and heat transfer in an exchanger, with verification results presented. Experimental measurements of in-house-fabricated heat exchangers were performed and used to validate the numerical model.

Keywords:

Heat exchanger, Lattice Bolztmann method, external flow, parametric study, pressure drop

Date of defence

10.09.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Práce vykazuje přínosy v návrhu výměníků tepla. V aplikační oblasti přináší ověřený nástroj pro jejich návrh.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Heat Transfer and Fluid Flow Laboratory

Study programme

Applied Mechanics (D-IME-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Ondřej Šikula, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petra Dančová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Mauder, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Šidlof, Ph.D. (člen)
Prof. Mayken Espinoza-Andaluz, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jan Boháček, Ph.D.

Po úspěšném absolvování magisterského studijního programu Aplikované vědy v inženýrství zahájil Ing. Kryštof Mráz dne 30. 10. 2020 doktorské studium v Laboratoři přenosu tepla a proudění. V souladu se studijním plánem složil zkoušky z pěti předmětů: Výpočtové modelování proudění, Výpočetní inteligence, Metody řešení problémů přenosu tepla, Jazyk anglický pro doktorské studium a Vědecko-výzkumný projekt a jeho řízení. Státní doktorskou zkoušku úspěšně složil v roce 2023.

Je hlavním autorem tří článků: Thermal conductivity of porous oxide layer: A numerical model based on CT data (Q2),Case study of liquid cooling of automotive headlights with hollow fiber heat exchanger (Q1),Numerical simulation of fluid flow in heat exchangers with complex geometry (Q4).

Dále je spoluautorem sedmi odborných článků indexovaných v databázi Scopus a nejméně dvou dalších článků, které jsou ke dni tohoto hodnocení v recenzním řízení nebo ve fázi přípravy manuskriptu.

Kryštof absolvoval tříměsíční pracovní pobyt na univerzitě v Leobenu, kde se věnoval vývoji počítačového kódu pro simulaci deformace ingotu během procesu VAR/ESR. Ačkoli se jednalo o výpočtově zaměřené téma, nesouviselo přímo s jeho disertační prací. Přesto z této stáže vzešly dvě publikace, z nichž jedna spadá do Q1/Q2.

Zúčastnil se konferencí Inženýrská mechanika 2022 ve Svratce a Thermal and Fluids Engineers (ASTFE) Conference v roce 2023 na University of Maryland.

Ing. Mráz byl úspěšným řešitelem dvou juniorských projektů: 2021 – KInG Compact Heat Exchangers for Automotive Industry Made of Polymeric Hollow Fibers,2022 – Mezifakultní specifický výzkum Numerical analyses of polymeric hollow fiber heat exchangers digitalized by X-ray computed microtomography.

Na Energetickém ústavu vyučoval dva semestry předmět Termomechanika (6TT).

Cíle disertační práce, které byly upřesněny během státní doktorské zkoušky, doktorand splnil. Prokázal schopnost samostatně a komplexně řešit danou problematiku, přičemž dosažené výsledky odpovídají stanoveným cílům. Práce je originální, původní a vykazuje minimální překryv s jinými studiemi na obdobné téma.

Práce s open-source software bývá obecně náročnější než s komerčními programy. Kryštof si osvojil práci s open-source LBM kódem Palabos, open-source FVM kódem OpenFOAM, optimalizačním toolboxem Dakota a skriptování v jazyce Bash. Simulace prováděl na linuxových strojích superpočítačové infrastruktury Metacentra a IT4I.

Hlavní přínos práce spočívá v navržené metodice optimalizace vláknového výměníku s ohledem na tepelný výkon a tlakové ztráty. I když nebylo ve finálním kroku využito LBM simulací, nebyla tím snížena kvalita práce. Ukázalo se totiž, že spolehlivá implementace LBM pro vysoká Reynoldsova a Pécletova čísla, složité okrajové podmínky a teplotně závislé fyzikální vlastnosti by vyžadovala několik doktorských prací. Toto zjištění bylo v práci podrobně vysvětleno.

Doktorand důsledně využíval open-source nástroje OpenFOAM a Dakota, přičemž navržený optimalizační postup umožňuje spolehlivý návrh výměníku tepla s rozumnou výpočetní náročností. Práce rovněž otevřela nové otázky – například v rámci rozsáhlé parametrické studie byla pozorována bifurkace mezi dvěma režimy proudění metodou URANS. Otevřenou otázkou zůstává, zda měla bifurkace fyzikální základ, nebo zda jde o projev známé nestability této metody.

Na závěr konstatuji, že Ing. Kryštof Mráz splnil všechny požadavky kladené na absolventy doktorského studia a doporučuji, aby mu byla umožněna obhajoba disertační práce.

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Petra Dančová, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 199,09 kB

Reviewer’s report
doc. Ing. Tomáš Mauder, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 169,88 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová